“LED封装”技术未来发展趋势

随着显示技术的日新月异,近期,COB封装产品成为中高端显示市场炙手可热的新宠,并大有成为未来显示的趋势。什么是COB?今天就让小编详细为大家介绍一下吧:

LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的,但却有很大的特殊性。一般情况下,分立器件的管芯被密封在封装体内,封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而LED封装则是完成输出电信号,保护管芯正常工作。

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目前全彩LED小间距显示屏主要有两种封装技术形态,一种是SMD表面贴装元器件技术,一种是采用COB集成封装技术。表面贴装元件在大约二十年前推出,从无源元件到有源元件和集成电路,*终变成了表面贴装器件并可通过拾放设备进行装配。而COB是*近几年才大规模应用在全彩LED屏的一种全新的封装技术。

封装结构类型:

LED显示屏器件朝着全彩化、小尺寸、低电流、高可靠性和低成本的不断发展,使得LED封装器件封装技术在越发重要的同时也面临着巨大的挑战。本文对LED显示屏器件封装方式的发展作简要概述,主要由直插式、亚表贴、表贴三合一;并浅谈了LED显示屏器件封装的未来前景技术,如小间距、COB封装以及Micro
LED封装,以及新技术所面临的问题。

SMD:它是Surface Mounted
Devices的缩写,意为:表面贴装器件,它是SMT(Surface Mount
Technology)元器件中的一种。目前室内全彩LED屏主要采用的是表贴三合一SMD,是指将RGB三种不同颜色的LED晶片封装的SMT灯按照一定的间距封装在同一个胶体内形成显示模组的封装技术。

引脚式封装

从LED显示屏市场的产业化历程来看,LED显示屏器件封装的发展经历了20世纪80年代的点阵模块封装,20世纪90年代后出现的直插式封装,亚表贴、表贴封装,以及2011年以后出现的比较热门的小间距器件封装。从简单的组装到现在对于生产工艺的管控,LED显示封装经历了一个个技术革新的阶段。封装环节不再是简单的组装环节,而是一个考验生产工艺及技术水平的环节。

主要工艺流程是将LED发光芯片封装于支架内形成灯珠,灯珠通过焊锡再贴于PCB板。再将表贴件及PCB板放入高温烤箱内进行烧结凝固,然后通过压焊技术对LED进行引线焊接,*后用环氧树脂对支架进行点胶封装,*终形成显示模组,模组再拼接成单元。

LED脚式封装采用引线架作各种封装外型的引脚,是最先研发成功投放市场的封装结构,品种数量繁多,技术成熟度较高,封装内结构与反射层仍在不断改进。标准LED被大多数客户认为是目前显示行业中最方便、最经济的解决方案,典型的传统LED安置在能承受0.1W输入功率的包封内,其90%的热量是由负极的引脚架散发至PCB板,再散发到空气中,如何降低工作时pn结的温升是封装与应用必须考虑的。

1 LED显示器件封装的发展历程

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表面贴装封装

LED显示屏器件的封装方式主要包括点阵模块、直插式、亚表贴、表贴三合一、COB、Micro
LED等等,不同的封装方式,各有优缺点,适用于不同的LED显示屏应用领域。相应地,LED显示屏也经历了从单色、双色以及目前主流的RGB全彩,从早期主要用于户外到目前户内小间距的兴起,从低分辨率朝向宽色域、高分辨率的演变。这些不同的封装方式不仅推动了LED显示屏的进步,同时也是对不断自我革新的过程。下面就LED显示屏器件封装的发展过程中的几种方式以及现状进行介绍。

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网投平台,表面贴装封装的LED(SMD
LED)被市场所接受,并获得一定的市场份额,从引脚式封装转向SMD符合整个电子行业发展大趋势,很多生产厂商推出此类产品。

点阵模块和亚表贴已经被淘汰,很少被使用,目前主流的LED显示屏器件封装方式主要为lamp、SMD三合一,两者占显示市场的95%以上。所以下面就lamp和SMD三合一进行介绍;而COB和Micro
LED在发展趋势中介绍。

SMD工艺的核心材料:

早期的SMD
LED大多采用带透明塑料体的SOT-23改进型,卷盘式容器编带包装。在SOT-23基础上,前者为单色发光,后者为双色或三色发光。近些年,SMD
LED成为一个发展热点,很好地解决了亮度、视角、平整度、可*性、一致性等问题,采用更轻的PCB板和反射层材料,在显示反射层需要填充的环氧树脂更少,并去除较重的碳钢材料引脚,通过缩小尺寸,降低重量,可轻易地将产品重量减轻一半,最终使应用更趋完美,尤其适合户内,半户外全彩显示屏应用。

1.1 直插引脚式

支架:导电,支撑和散热,多为支架素材经过电镀而形成,由里到外是素材、铜、镍、铜、银这五层所组成。

功率型封装

LED芯片的直插引脚式最先研发成功并投放市场的LED产品,技术成熟、品种繁多。图1为常见的Lamp
LED封装结构示意图,
通常支架的一端有“碗杯形”结构,将LED芯片固定在“碗杯形”结构内,然后采用灌封封装。灌封是先在LED模腔内注入液态环氧树脂,然后插入压焊好的引脚式LED支架并放到烘箱中让环氧树脂固化,再从模腔中脱离出LED即成型,成为LED产品。

LED芯片:晶片是LED Lamp的主要组成物料,是发光的半导体材料。

LED芯片及封装向大功率方向发展,在大电流下产生比Φ5mmLED大10-20倍的光通量,必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题,因此,管壳及封装也是其关键技术,能承受数W功率的LED封装已出现。5W系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED从2003年初开始供货,白光LED光输出达1871lm,光效44.31lm/W绿光衰问题,开发出可承受10W功率的LED,大面积管;匕尺寸为2.52.5mm,可在5A电流下工作,光输出达2001lm,作为固体照明光源有很大发展空间。

直插式封装技术的制造工艺简单、成本低,有着较高的市场占有率。目前,直插式引脚封装的LED通常是单色发光应用于大屏幕点阵显示、指示灯等领域。早期,全彩的LED显示屏是通过将红色、绿色和蓝色的3个或4个Lamp
LED器件做为一个像素点拼接成的。近年来,RGB三合一Lamp
LED器件也在研发中,以满足高亮、高分辨、高效率拼接的要求。目前直插式LED主要应用于户外点间距在P10以上的大屏,其亮度优势、可靠性优势较明显,但由于户外点间距也朝着高密方向发展,直插受限于红绿蓝3颗器件单独插装,很难高密化,所以在户外点间距P10以下逐渐被SMD器件所替代。

导电线:连接晶片PAD与支架,并使其能够导通。

功率型LED的热特性直接影响到LED的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等,因此,对功率型LED芯片的封装设计、制造技术更显得尤为重要。

“LED封装”技术未来发展趋势。1.2 SMD

环氧树脂:保护灯珠的内部结构,可稍微改变灯珠的发光颜色,亮度及角度;

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表贴三合一LED于2002年兴起,并逐渐占据LED显示屏器件的市场份额,从引脚式封装转向SMD。表贴封装是将单个或多个LED芯片粘焊在带有塑胶“杯形”外框的金属支架上,再往塑胶外框内灌封液态封装胶,然后高温烘烤成型,最后切割分离成单个表贴封装器件。由于可以采用表面贴装技术,自动化程度较高。与引脚式封装技术相比,SMD
LED的亮度、一致性、可靠性、视角、外观等方面表现都良好。

COB:是Chip On Board的缩写。意思是:
板上芯片封装技术;即将芯片用导电或非导电胶粘附在互连基板上,然后进行引线键合实现其电气连接的半导体封装工艺。简单来说,就是把发光芯片直接贴装在PCB板上,不需要支架和焊脚。与传统的SMD做法相比,COB封装省略LED芯片制作成灯珠和回流焊两大流程。芯片直接装配到PCB基本上,没有了封装器件尺寸的限制,可以实现更小的点距排列,当前Micro
LED都采用COB技术。

COB型封装

SMD
LED体积更小,重量更轻,且适合回流焊接,尤其适合户内、外全彩显示屏的应用。SMD
LED可分为支架式TOP
LED和片式LED。前者常采用PLCC支架,后者采用PCB线路板作为LED芯片的载体。PLCC支架成本低,但是在应用中存在气密性差、散热不良、发光不均匀和发光效率下降等问题。此外,还有性能和光效更好的PCT及EMC材质的支架,但考虑到价格较贵,暂未在LED显示屏器件上广泛应用。

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COB封装可将多颗芯片直接封装在金属基印刷电路板MCPCB,通过基板直接散热,不仅能减少支架的制造工艺及其成本,还具有减少热阻的散热优势。

目前LED显示屏市场应用最多的是顶部出光型TOP
LED器件,其次是常用于户内小间距的Chip LED。常见的SMD
LED的几种尺寸,如2020、1515、3528,一般以焊盘尺寸划分。焊盘是其散热的重要渠道,常见的SMD
LED的焊盘包括户外的3.5mm×2.5mm、2.7mm×2.7mm,户内的1.5mm×1.5
mm、1.0mm×1.0mm等。这几年,随着LED显示屏市场应用环境的细分,对SMD
LED器件要求不一样。比如,针对户外LED显示屏,要求高防水、高亮度、抗紫外。其中,高防水功能主要是通过支架的防水结构设计,折弯拉伸延长水汽的路径,同时在器件内部增加防水槽、防水台阶、防水孔等方式实现多重防水。而高亮度,主要通过在杯内壁喷涂高反射墙,增强光反射。对于户外抗紫外方面,逐渐采用高性能硅树脂封装胶以取代传统的环氧树脂。

COB技术的工艺制程比起其他封装技术步骤简化了很多,相对简单,如下图:

从成本和应用角度来看,COB成为未来灯具化设计的主流方向。COB封装的LED模块在底板上安装了多枚LED芯片,使用多枚芯片不仅能够提高亮度,还有助于实现LED芯片的合理配置,降低单个LED芯片的输入电流量以确保高效率。而且这种面光源能在很大程度上扩大封装的散热面积,使热量更容易传导至外壳。

又如,户内LED显示屏,业内普遍追求的是高对比度、高分辨率。SMD
LED器件封装正朝着小尺寸发展以满足高分辨率LED显示屏市场需要,但SMD器件尺寸具有一定的局限性。当封装尺寸往0808更小尺寸封装发展时,封装的工艺难度急剧增大,良率下降,导致成本增加。这主要是受限于固晶、焊线、划片、焊线的设备精度等因素。另外,在终端应用的成本也会增加,主要体现在贴装设备的精度、贴装效率等。

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技术介绍:

2 LED封装发展趋势

COB封装技术的LED屏特点:

1、扩晶,把排列的密密麻麻的晶片弄开一点便于固晶。

LED显示屏的分辨率是由封装元器件的尺寸和间距决定的,而在传统技术限制下,LED器件之间间距较大,从而分辨率较低,只适合在户外远距离观看,难以在室内应用,因此过去在室内显示领域,则是由LCD、DLP拼接墙和投影技术等占据主要地位。而随着技术的进步,上游产能的扩大,小间距显示成本逐渐下降,已具有商业应用基础,使得LED显示屏在室内显示领域逐渐和传统显示技术形成了竞争。

1、超级“稳定性” :几乎无故障、无死点。

2、固晶,在支架底部点上导电/不导电的胶水(导电与否视晶片是上下型PN结还是左右型PN结而定)然后把晶片放入支架里面。

随着LED芯片封装技术、显示屏驱动控制技术及显示屏组装制造工艺的进步,LED显示屏的分辨率得到了大幅提升,户内高密度LED显示屏的像素中心距不断取得突破,2017年己迈入点间距0.Xmm时代。较于DLP
、LCD等显示产品,小间距LED显示屏具有高清显示、高刷新频率、无缝拼接、散热系统良好、拆装方便等特点,即使在相对较近距离观看,其显示画面超清晰,无闪烁也无颗粒感。而近几年出现的无缝、高对比度、高分辨率的COB
LED、Micro
LED显示屏更是让传统的LED显示屏客户眼前一亮。户内高密度LED显示屏在未来几年将不断蚕食拼接墙市场,成为室内高密度大屏幕的主流显示媒介,在商用显示、指挥控制中心、高端车展、演播会议中心、电影院等室内显示场所将有广泛的应用。在室外应用方面,近年随着室外表贴LED
封装技术的改进以及室外模块防护水平的提高,室外全彩屏的像素间距极限也在不断地被刷新。

2、不“刺眼”
:采用面光源而不是“刺眼”的点光源等环保技术。亮度柔和,保护人眼。

3、短烤,让胶水固化焊线时晶片不移动。

LED显示屏朝着高分辨率发展已成为不可逆转的趋势,而LED器件小型化、模块高密度集成化这是其关键技术,但其发展主要依赖于倒装芯片封装技术、COB封装技术以及Micro
LED封装技术的发展。